用于电机驱动器的有源箝位的制作方法

本公开要求2014年1月24日提交的美国临时申请号61/931,483的权益，其全部内容通过引用合并于此。

背景技术：

本文提供的背景技术的描述出于一般地呈现本公开的背景的目的。目前称为发明人的工作在该背景技术部分中描述的程度上并且该描述的各部分并不能在提交的时间被看做现有技术，既不明示也不暗示地被承认作为抵触本公开的现有技术。

无刷直流(BLDC)电机(也称为电子换向同步电机)使用驱动器电路来对电机的一个或多个绕组电子地进行换向。驱动器电路将电机的一个或多个绕组周期性地连接到电源电压和地并断开，并且然后，电流流动通过一个或多个绕组，生成电机内的一个或多个磁场。

当驱动器电路将一个或多个绕组与电源电压和地断开时，电机内的磁场使得电流继续流动通过一个或多个绕组。电流的持续流动生成跨一个或多个绕组的电压。由于电流的持续流动生成的电压上升，直至找到使电流流动通过的路径。

在一些驱动器电路中，路径包括一个或多个保护二极管，该一个或多个保护二极管跨驱动器电路的晶体管、驱动器电路的晶体管固有的体二极管和与将电力供应到驱动器电路的电路相关联的诸如电容器的无源组件的导电端子连接。

电流的流动消耗在电机中的磁场中所存储的能量。当在磁场中的能量被完全消耗时，电流流动停止。

技术实现要素：

在实施例中，一种装置包括箝位控制电路，被配置为控制第一电流以当第二电流具有预定流动方向时具有基本上等于所述第二电流的幅度的幅度。

在实施例中，预定流动方向是第一流动方向，并且箝位控制电路被配置为感测所述第二电流，并且控制所述第一电流以在所述第二电流具有与所述第一流动方向相反的第二流动方向时基本上为零。

在实施例中，该装置包括配置为控制第二电流的晶体管。箝位控制电路被配置为根据所述第二电流的值以及参考电压的值来将箝位信号提供给所述晶体管的控制端子。

在实施例中，预定流动方向是第一流动方向。当所述第二电流具有所述第一流动方向时，根据所述箝位信号来控制所述晶体管。当所述第二电流具有与所述第一流动方向相反的第二流动方向时，根据除了所述箝位信号的信号来控制所述晶体管。

在实施例中，该装置包括电流感测电阻器，被配置为根据所述第二电流来生成感测信号。当所述第二电流在所述第一方向上流动时，所述感测信号的值的极性是第一极性。当所述第二电流在所述第二方向上流动时，所述感测信号的值的极性是与所述第一极性相反的第二极性。箝位控制电路包括差分放大器电路，被配置为接收所述感测信号和所述参考电压，并且根据在所述参考电压和所述感测信号之间的差来生成所述箝位信号。

在实施例中，该装置驱动器电路，具有耦合到电源电压的第一端子和耦合到地的第二端子。晶体管具有耦合到所述驱动器电路的所述第一端子的第一导电端子以及耦合到所述驱动器电路的所述第二端子的第二导电端子。

在实施例中，该装置包括：阻断二极管，被设置在所述驱动器电路的第一端子和所述电源电压之间；去耦合电容器，具有耦合到所述驱动器电路的第一端子的第一端子和耦合到地的第二端子；以及电流感测电阻器，被耦合在所述驱动器电路的第二端子和所述地之间。箝位控制电路根据跨所述电流感测电阻器的压降来确定所述第二电流的值。

在实施例中，驱动器电路是第一驱动器电路，并且该装置包括：第二驱动器电路，具有耦合到所述电源电压的第一端子和耦合到地的第二端子。

在实施例中，该装置包括第一驱动器电路和第二驱动器电路。当所述第二电流具有所述预定流动方向并且所述第二电流流动通过所述第一驱动器电路时，所述箝位控制电路被配置为检测所述第一驱动器电路中的所述第二电流的流动，并且控制所述第二驱动器电路，使得所述第一电流流动通过所述第二驱动器电路。

在实施例中，当所述第二电流具有所述预定流动方向，并且所述第二电流流动通过所述第二驱动器电路时，所述箝位控制电路被配置为检测所述第二驱动器电路中的第二电流的流动并且控制所述第一驱动器电路，使得所述第一电流流动通过所述第一驱动器电路。

在实施例中，该装置包括一个或多个感测电路，被配置为检测到一个或多个二极管分别被正向偏置。箝位控制电路被配置为当所述一个或多个二极管的感测二极管被正向偏置时，控制所述第一电流，并且被配置为，当所述一个或多个二极管中没有一个被正向偏置时，不控制所述第一电流。

在实施例中，该装置包括多个晶体管和开关电路，开关电路被配置为根据所述一个或多个二极管中的哪一个是感测二极管来确定所述多个晶体管中的所选择的晶体管。箝位控制电路被配置为通过向所选择的晶体管提供箝位信号来控制所述第一电流。

在实施例中，感测二极管包括耦合到感测晶体管的导电端子的保护二极管，或者包括感测晶体管的体二极管。

在实施例中，感测晶体管是多个晶体管中除了所选择的晶体管之外的晶体管。

在实施例中，箝位控制电路被设置在集成电路中。

在实施例中，一种方法包括确定第一电流的值，控制第二电流以当所述第一电流的值指示所述第一电流的第一流动方向时具有基本上零的值，以及控制第二电流以当所述第一电流的值指示所述第一电流的第二流动方向时具有基本上等于所述第一电流的幅度。

在实施例中，第二流动方向与所述第一流动方向相反。

在实施例中，确定第一电流的值包括测量跨电阻器的压降。跨电阻器的所述压降在所述第一电流具有所述第一流动方向时具有第一极性，并且在所述第一电流具有所述第二流动方向时具有与所述第一极性相反的第二极性。

在实施例中，控制所述第二电流以具有基本上等于所述第一电流的幅度的幅度包括：根据在参考电压和所述压降之间的差来生成箝位信号，当所述第一电流的值指示所述第一电流的第二流动方向时，将所述箝位信号供应到晶体管的控制端子。晶体管控制第二电流的幅度。

在实施例中，当所述第一电流的值指示所述第一电流的第一流动方向时，所述箝位信号不被供应到所述晶体管的控制端子。

在实施例中，当向电机的绕组供应能量时，所述第一电流具有第一流动方向，并且当所述电机的绕组放电能量时，所述第一电流具有所述第二流动方向。

在实施例中，该方法包括：确定二极管是否被正向偏置。当所述二极管被正向偏置时，控制所述第二电流以具有基本上等于所述第一电流的幅度的幅度。当所述二极管被正向偏置时，控制所述第二电流以具有基本上等于零的值。

附图说明

图1图示了根据实施例的单相BLDC电机系统。

图2A、2B和2C图示了根据实施例的图1的单相BLDC电机系统的附加特征和操作。

图3是图示根据实施例的图1和图2的单相BLDC电机系统的操作的波形图。

图4是根据实施例的图1和图2的单相BLDC电机系统的控制回路框图。

图5图示了根据实施例的三相BLDC电机系统。

图6A、6B和6C图示了根据实施例的图5的三相BLDC电机系统的附加特征和操作。

图7是图示根据实施例的图5和图6的三相BLDC电机系统的操作的波形图。

图8是根据实施例的控制箝位电流的过程的流程图。

图9是根据另一实施例的控制箝位电流的过程的流程图。

具体实施方式

图1图示了根据实施例的单相无刷直流(BLDC)电机系统100。BLDC电机系统100包括电机控制电路1-102、第一和第二驱动器电路1-104A和1-104B、箝位控制电路1-106、电流感测电阻器1-108和单相BLDC电机1-110。通过阻断二极管1-120和去耦合电容器1-122将电源电压VDD供应到第一和第二驱动器电路1-104A和1-104B。

电机控制电路1-102将第一和第二控制信号CTRLA和CTRLB分别提供给第一和第二驱动器电路1-104A和1-104B。在实施例中，第一和第二控制信号CTRLA和CTRLB中的每一个包括多个信号。电机控制电路1-102通过测量跨电流感测电阻器1-108的电压来感测通过第一和第二驱动器电路1-104A和1-104B中的一个或多个的电流流动。

第一和第二驱动器电路1-104A和1-104B中的每一个通过阻断二极管1-120和去耦合电容器1-122被连接到电源电压VDD。阻断二极管1-120被配置为防止来自第一和第二驱动器电路1-104A和1-104B的电流反向流入电源电压VDD的源。去耦合电容器1-122被配置为减少由于流动通过第一和第二驱动器电路1-104A和1-104B的电流的变化而产生的电源电压VDD的电压变化的幅度。

第一和第二驱动器电路1-104A和1-104B中的每一个通过电流感测电阻器1-108连接到地。电流感测电阻1-108用于产生由电机控制电路1-102并且由箝位控制电路1-106监视的电流感测信号SENSE。

第一和第二驱动器电路1-104A和1-104B将第一和第二电机驱动信号分别供应到电机1-110的第一和第二电机端子A和B。电机1-110包括连接在第一和第二电机端子A和B之间的绕组1-112。电机1-110可以进一步包括具有一个或多个磁体的转子(未示出)，每个磁体包括北极和南极。

第一和第二驱动器电路1-104A和1-104B有时用于将能量供应到电机1-110的绕组1-112。供应到绕组1-112的能量的第一部分被转换成机械能和热能，并且供应到绕组1-112的能量的第二部分被存储在绕组1-112中。当能量没有被供给到绕组1-112时，存储在绕组1-112中的能量可以通过来自绕组1-112的残余电流的流动被放电。

箝位控制电路1-106分别从第一和第二驱动器电路1-104A和1-104B接收第一和第二箝位感测信号CLSA和CLSB。箝位控制电路也接收电流感测信号SENSE。

箝位控制电路1-106根据第一和第二箝位感测信号CLSA和CLSB以及电流感测信号SENSE来生成第一和第二箝位信号CLA和CLB。箝位控制电路1-106被配置为，根据由存储在电机1-110的绕组1-112中的能量的放电所生成的电流流动来生成第一和第二箝位信号CLA和CLB，以便将由放电所生成的电流流动的一些或全部从解耦合电容器1-122转移走。在实施例中，箝位控制电路1-106被配置为，当电流感测信号SENSE具有小于预定电压值的电压值时，生成第一和第二箝位感测信号CLSA和CLSB中的一个或多个的当前值。

本领域技术人员根据本文的教导和公开可以理解，BLDC电机系统100可以进一步包括其他电路，诸如反EMF监视电路和转子位置检测电路。为了简单起见，这样的电路被省略。在实施例中，电机控制电路1-102、第一和第二驱动器电路1-104A和1-104B以及箝位控制电路1-106中的全部或一些被设置在集成电路中。

图2A、2B和2C图示了根据实施例的适用于分别用作图1的BLDC电机系统100的第一和第二驱动器电路1-104A和1-104B以及箝位控制电路1-106的第一和第二驱动器电路2-104A和2-104B以及箝位控制电路2-106的其他细节和操作。图2A、2B和2C中的灰色箭头指示与电路2-104A、2-104B和2-106的操作相关联的电流流动，如下详述。

具有正电压值的电源电压VDD被提供给阻断二极管2-120的阳极。阻断二极管2-120的阴极被连接到去耦合电容器2-122的第一端子。去耦合电容器2-122的第二端子被连接到地。

第一驱动器电路-2-104A接收第一正栅极信号PGA和第一负栅极信号NGA，并且这些信号可以被包括在图1的第一控制信号CTRLA中。第一驱动器电路2-104A包括第一p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(pMOSFET)2-220A、第一n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(nMOSFET)2-222A、第一上部保护二极管2-226A以及第一下部保护二极管2-228A。在实施例中，第一上部保护二极管2-226A和第一下部保护二极管2-228A分别是第一pMOSFET 2-220A和第一nMOSFET 2-222A固有的体二极管。

第一正栅极信号PGA被连接到第一pMOSFET 2-220A的栅极。第一pMOSFET 2-220A的源极被连接到去耦合电容器2-122的第一端子。第一pMOSFET 2-220A的漏极连接到第一输出端子OUTA。第一上部保护二极管2-226A被连接在第一pMOSFET 2-220A的漏极和源极之间。

第一负栅极信号NGA被连接到第一nMOSFET 2-222A的栅极。第一nMOSFET 2-222A的源极通过电流感测电阻器2-108被连接到地。第一nMOSFET 2-222A的漏极被连接到第一输出端子OUTA。第一下部保护二极管2-228A被连接在第一nMOSFET 2-222A的漏极和源极之间。

第二驱动器电路2-104B接收第二正栅极信号PGB和第二负栅极信号NGB，并且这些信号可以被包括在图1的第二控制信号图CTRLB中。第二驱动器电路2-104B包括第二pMOSFET 2-220B、第二nMOSFET 2-222B、第二上部部保护二极管2-226B和第二下部保护二极管2-228B。在实施例中，第二上部保护二极管2-226B和第二下部保护二极管2-228B分别是第二pMOSFET 2-220B和第二nMOSFET 2-222B固有的体二极管。

第二正栅极信号PGB被连接到第二pMOSFET 2-220B的栅极。第二pMOSFET 2-220B的源极被连接到去耦合电容器2-122的第一端子。第二pMOSFET 2-220B的漏极被连接到第二输出端子OUTB。第二上部保护二极管2-226B被连接在第二pMOSFET 2-220B的漏极和源极之间。

第二负栅极信号NGB被连接到第二nMOSFET 2-222B的栅极。第二nMOSFET 2-222B的源极通过电流感测电阻器2-108被连接到地。第二nMOSFET 2-222B的漏极被连接到第二输出端子OUTB。第二下部保护二极管2-228B被连接在第二nMOSFET 2-222B的漏极和源极之间。

第一驱动器电路2-104A的第一输出端子OUTA被连接到BLDC电机2-110的第一端子A。第二驱动器电路2-104B的第二输出端子OUTB被连接到BLDC电机2-110的第二端子B。绕组2-112被连接在BLDC电机2-110的第一和第二端子A和B之间。

箝位控制电路2-106包括第一和第二电压感测电路2-230A和2-230B、第一和第二开关2-232A和2-232B、差分放大器电路2-234以及第一、第二、第三和第四电阻器2-236、2-237、2-238和2-239。在实施例中，差分放大器电路2-234是运算放大器(opamp)。

第一电压感测电路2-230A从第一驱动器电路2-104A接收第一感测信号，其可以被包括在图1的第一箝位感测信号CLSA中。第一感测信号对应于跨第一下部保护二极管2-228A的电压。第一电压检测电路2-230A使用第一感测信号来将跨第一下部保护二极管2-228A的电压与预定阈值电压作比较，并且根据比较的结果来生成第一开关控制信号SCA。第一开关控制信号SCA被提供给第二开关2-232B。

第二电压感测电路2-230B从第二驱动器电路2-104B接收第二感测信号，其可以被包括在图1的第二箝位感测信号CLSB中。第二感测信号对应于跨第二下部保护二极管2-228B的电压。第二电压感测电路2-230B使用第二感测信号来将跨第二下部保护二极管2-228B的电压与预定阈值电压作比较，并且根据比较的结果来生成第二开关控制信号SCB。第二开关控制信号SCB被提供给第一开关2-232A。

差分放大器电路2-234包括正输入和负输入。差分放大器电路2-234的正输入使用包括第一和第二电阻器2-236和2-237的分压器来接收从参考电压V_REF生成的缩放的参考电压V_SR。第一电阻器2-236被连接在参考电压V_REF和差分放大电路2-234的正输入之间。第二电阻器2-237被连接在差分放大器电路2-234的正输入和地之间。缩放的参考电压V_SR根据等式1来确定，其中，V_REF是参考电压V_REF的值，R₁是第一电阻器2-236的电阻值，并且R₂是第二电阻器2-237的电阻值：

差分放大电路2-234的负输入通过第三电阻器2-238接收电流感测信号SENSE。第四电阻器2-239被连接在差分放大器电路2-234的负输入和输出之间。因此，在差分放大电路2-234的输出处生成的通用箝位信号CL的电压值V_CL根据等式2来确定，其中V_SENSE是电流感测信号SENSE的电压值，R₃是第三电阻器2-238的电阻值，并且R₄是第四电阻器2-239的电阻值：

通用箝位信号CL被提供给第一和第二开关2-232A和2-232B。当第一开关2-232A通过第二开关控制信号SCB被接通时，通用箝位信号CL被提供给第一nMOSFET 2-222A的栅极作为第一箝位信号CLA。当第二开关2-232B通过第一开关控制信号SCA被接通时，通用箝位信号CL被提供给第二nMOSFET 2-222B的栅极作为第二箝位信号CLB。

在实施例中，使用包括电阻器或其他器件(未示出)的电路来组合第一负栅极信号NGA和第一箝位信号CLA，其他器件在第一负栅极信号NGA和第一箝位信号CLA均未被提供给第一nMOSFET 2-222A时的时间段期间将第一nMOSFET 2-222A的栅极的电压值保持在低电平。类似的电路可以用于组合第二负栅极信号NGB和第二箝位信号CLB。

在另一实施例中，第一和第二开关控制信号SCA和SCB可以控制第一和第二复用器，其分别选择第一和第二箝位信号CLA和CLB或第一和第二负栅极信号NGA和NGB。本领域技术人员根据本文的教导和公开可以理解，许多其他电路可以用于将第一和第二箝位信号CLA和CLB与第一和第二负栅极信号NGA和NGB适当地组合，以便于分别控制第一和第二nMOSFET 2-222A和2-222B。

图3是图示根据实施例的图2A、2B和2C的电路的操作的波形图。具体地，图2A的灰色箭头示出了在图3中所示的第一时间T1和第二时间T2之间的第一间隔期间流动的电流，图2B的灰色箭头示出了在图3中所示的第二时间T2和第三时间T3之间的第二间隔期间流动的电流，并且图2C的灰色箭头示出了在图3中所示的第三时间T3和第四时间T4之间的第三间隔期间流动的电流。

初始地，第一和第二正栅极信号PGA和PGB具有高的值，其分别关断第一和第二pMOSFET 2-220A和2-220B。第一和第二负栅信号NGA和NGB被驱动为低，并且第一和第二箝位信号CLA和CLB不被驱动，使得示出为图3中的第一和第二组合负栅极信号NGA+CLA和NGB+CLB的相应的第一和第二组合具有低的值，该低值分别关断第一和第二nMOSFET 2-222A和2-222B。作为结果，BLDC电机2-110的第一和第二端子A和B浮置，没有电流流过第一和第二驱动器电路2-104A和2-104B，电流感测信号SENSE具有零值，并且线圈电流I_COIL具有零值。

在第一时间T1，如图2A所示，第一正栅极信号PGA被拉低，这接通第一pMOSFET 2-220A。第二负栅极NGB被驱动为高，这使得第二组合负栅极信号NGB+CLB变高，这接通第二nMOSFET 2-222B。结果，线圈电流I_COIL从电源电压VDD流动通过阻断二极管2-120、第一pMOSFET 2-220A、BLDC电机2-110的绕组2-112、第二nMOSFET 2-222B和电流感测电阻器2-108。

第一和第二电压感测电路2-230A和2-230B分别确定，第一和第二下部保护二极管2-228A和2-228B被反向偏置，即，基本上没有电流流过第一和第二下部保护二极管2-228A和2-228B。基于该确定，第一和第二电压感测电路2-230A和2-230B生成第一和第二开关控制信号SCA和SCB，其分别关断第二和第一开关2-232B和2-232A。

在第二时间T2，如图2B所示，第一正栅极信号PGA被驱动为高，这关断第一pMOSFET 2-220A。第二负栅极NGB被驱动为低并且随后被浮置，这会使得第二组合负栅极信号NGB+CLB变为低，这关断第二nMOSFET 2-222B。

然而，线圈电流I_COIL继续流动通过BLDC电机2-110的线圈2-112。结果，BLDC电机2-110的第一端子A的电压值减小到负值，并且BLDC电机2-110的第二端子B的电压值增加到比电源电压VDD的电压值更正的值。

BLDC电机2-110的第一端子A处的电压值的减小使得第一下部保护二极管2-228A成为正向偏置。BLDC电机2-110的第二端子B处的电压值的增加使得第二上部保护二极管2-226B成为正向偏置。

结果，线圈电流I_COIL从地开始流动，通过电流感测电阻器2-108、第一下部保护二极管2-228A、绕组2-112和第二上部保护二极管2-226B。相对于在第一时间T1和第二时间T2之间的时间段期间的通过电流感测电阻器2-108的电流流动的方向，在第二时间T2之后的时间段中通过电流感测电阻器2-108的电流流动的方向被反转。结果，在第一时间T1和第二时间T2之间的时间段期间为正的电流感测信号SENSE的电压值V_SENSE，在第二时间T2之后的时间段期间为负。

线圈电流I_COIL的流动由阻断二极管2-120阻断。替代地，电流流动通过去耦合电容器2-122，使得跨去耦合电容器2-122的电压增加。如果跨去耦合电容器2-122的电压增加到充分高于第一和第二正栅极信号PGA和PBG中的一个或多个的电压值的值，则第一和第二pMOSFET 2-220A和2-220B中的一个或多个可能在不适当的时间被接通。该第一和第二pMOSFET 2-220A和2-220B中的一个或多个的接通可能产生BLDC电机2-110的不期望的移动或制动以及增加的功耗。

在第三时间T3，如图2C所示，箝位控制电路2-106进行操作以通过转移线圈电流I_COIL中一些或所有远离去耦合电容器2-122来防止跨去耦合电容器2-122的电压成为过高的值。从第二时间T2到第三时间T3的延迟是箝位控制电路2-106的响应时间。

第一电压感测电路2-230A确定，第一下部保护二极管2-228A被正向偏置，并且用接通第二开关2-232B的值来驱动第一开关控制信号SCA。然后，第一开关控制信号SCA将通用箝位信号CL提供给第二nMOSFET 2-222B作为第二箝位信号CLB。

在实施例中，第一和第二开关2-232A和2-232B可以被控制为，在第二时间T2和第四时间T4之间的时间段期间，将通用箝位信号CL提供给在第一时间T1和第二时间T2之间的时间段期间接通的第一和第二nMOSFET 2-222A和2-222B中的一个。可以根据在第一时间T1和第二时间T2之间的时间段期间的第一和第二负栅极信号NGA和NGB的值来在第二时间T2和第四时间T4之间的时间段期间控制第一和第二开关2-232A和2-232B。

通过电流感测电阻器2-108从地流动的电流使得电流感测信号SENSE具有负电压值。结果，第二箝位信号CLB具有比缩放的参考电压V_SR更大的电压值。第二箝位信号CLB的电压值使得第二nMOSFET 2-222B接通，并且结果，箝位电流I_CLAMP从绕组2-112开始流动通过第二nMOSFET 2-222B和第一下部保护二极管2-228A，并且然后返回到绕组2-112。

图4是图示箝位控制电路2-106和第二nMOSFET 2-222B的操作的控制回路框图。在图4中，I_COIL是通过绕组2-112的线圈电流I_COIL的幅度，I_CLAMP是通过第二nMOSFET 2-222B的箝位电流I_CLAMP的幅度，R_SNS是电流感测电阻器2-108的电阻值，R3是第三电阻器2-238的电阻值，R4是第四电阻2-239的电阻值，V_TH是第二nMOSFET 2-222B的阈值电压，V_REF是参考电压V_REF的电压值，并且G是控制回路的增益。控制回路的增益G可以包括第二nMOSFET 2-222B的跨导。

如果第一电阻器2-236的电阻值R₁与第二电阻器2-237的电阻值R₂的比率被选择为等于第四电阻器2-239的电阻值R₄与第三电阻器2-238的电阻值R₃的比率，则箝位电流I_CLAMP的幅度由等式3给出，其中K＝1+R₄/R₃：

从等式3可以看出，当回路增益K·G·R_SNS大时，第一项将接近线圈电流I_COIL。第二项是由于参考电压V_REF和第二nMOSFET 2-222B的阈值电压V_TH的失配产生的电压偏移，该电压偏移以因子K·R_SNS衰减。通过适当地选择第三电阻器2-238的电阻值R₃和第四电阻器2-239的电阻值R₄，可以使得K(＝I+R₄/R₃)是大的，并且结果，箝位电流I_CLAMP可以近似等于线圈电流I_COIL。结果，非常少量的电流流动到去耦合电容器2-122，并且降低了跨去耦合电容器2-122的电压的增加。

在实施例中，电流感测电阻器2-108、箝位控制电路2-106和第二nMOSFET 2-222B操作作为反馈回路，被配置为将第二输出端子OUTB处的电压保持在接近电源VDD的电压值的电压值，由此保持绕组2-112中的快速电流衰减速率。

返回到图3，在第四时间T4，存储在绕组2-112中的能量已经消耗，线圈电流I_COIL基本上为零，并且第一下部保护二极管2-228A不再被正向偏置。第一电压感测电路2-230A确定，第一下部保护二极管2-228A不再被正向偏置，并且用关断第二开关2-232B的值来驱动第一开关控制信号SCA。结果，在时间T4之后，第二nMOSFET 2-222B不再由箝位控制电路2-106控制。

图3还示出，在从第五时间T5通过第六时间T7、第七时间T7和第八时间T8的时间段期间，在线圈电流I_COIL在于图2A、2B、2C中所示的方向相反的方向上流动时的图1和图2的BLDC电机控制系统100的操作。本领域技术人员将理解，在第五时间T5和第六时间T6、第六时间T6和第七时间T7、以及第七时间T7和第八时间T8之间的时段期间，BLDC电机控制系统100分别以类似于以上针对在第一时间T1和第二时间T2、第二时间T2和第三时间T3、以及第三时间T3和第四时间T4之间的时段描述的方式进行操作。

在第五时间T5和第八时间T8之间的时间段期间，第二pMOSFET 2-220B、第一nMOSFET 2-222A、第二下部保护二极管2-222B、第二电压感测电路2-230B和第一开关2-232A执行在第一时间T1和第四时间T4之间的时间段期间由第一pMOSFET 2-220A、第二nMOSFET 2-222B、第一下部保护二极管2-222A、第一电压感测电路2-230A和第二开关2-232B分别执行的功能。结果，当箝位控制电路在第七时间T7和第八时间T8之间的时段期间接通第一nMOSFET 2-222A时，线圈电流I_COIL流动通过绕组2-112，如由图2中的相应的灰色箭头所示，但是在相反方向上。

虽然以上描述了单相BLDC电机系统100，但是实施例不限于此，并且本领域技术人员根据本文的教导和公开将理解，三相BLDC电机系统100可以适于利用具有两个、三个或三个以上相的电机或者利用具有使用换向驱动的线圈的任何电机。此外，本领域技术人员根据本文的教导和公开将理解，单相BLDC电机系统100可以适于利用上述具有负电压值而不是正电压值的电源电压VDD。

图5图示了根据实施例的三相无刷直流(BLDC)电机系统500。BLDC电机系统500包括电机控制电路5-102、第一、第二和第三驱动器电路5-104A、5-104B和5-104C、箝位控制电路5-106、电流感测电阻器5-108、阻断二极管5-120、去耦合电容器5-122以及三相BLDC电机5-110。

电机控制电路5-102将第一、第二和第三控制信号CTRLA、CTRLB和CTRLC分别提供给第一、第二和第三驱动器电路5-104A、5-104B和5-104C。在实施例中，第一、第二和第三控制信号CTRLA、CTRLB和CTRLC中的每一个包括多个信号。电机控制电路5-102通过测量跨电流感测电阻器5-108的电压来感测通过第一、第二和第三驱动器电路5-104A、5-104B和5-104C中的一个或多个的电流流动。

第一、第二和第三驱动器电路5-104A、5-104B和5-104C中的每一个通过阻断二极管5-120和去耦合电容器5-122被连接到电源电压VDD。阻断二极管5-120被配置为，防止来自第一、第二和第三驱动器电路5-104A、5-104B和5-104C的电流反向流入电源电压VDD的源。去耦合电容器5-122被配置为减少由流动通过第一、第二和第三驱动器电路5-104A、5-104B和5-104C中的一个或多个的电流的变化所产生的电源电压VDD的电压变化的幅度。

第一、第二和第三驱动器电路5-104A、5-104B和5-104C中的每一个通过电流感测电阻器5-108被连接到地。电流感测电阻器5-108用于产生由该电机控制电路5-102和由箝位控制电路5-106监视的电流感测信号SENSE。

第一、第二和第三驱动器电路5-104A、5-104B和5-104C分别控制供应到电机5-110的第一、第二和第三电机端子A、B和C的第一、第二和第三信号。

电机5-110包括具有分别连接到第一、第二和第三电机端子A、B和C的第一、第二和第三绕组5-112A、5-112B和5-112C。第一第二和第三绕组5-112A、5-112B和5-112C的第二端以“Y形”配置彼此连接。在另一实施例中，第一、第二和第三绕组5-112A、5-112B和5-112C以“三角形”配置彼此连接，其中，第一、第二和第三绕组5-112A、5-112B和5-112C的第二端分别被连接到第二、第三和第一绕组5-112B、5-112C和5-112A的第一端。

第一、第二和第三驱动器电路5-104A、5-104B和5-104C有时用于将能量供应到第一、第二和第三绕组5-112A、5-112B和5-112C中的一个或多个。供应到第一、第二和第三绕组5-112A、5-112B和5-112C的能量的第一部分被转换成机械能和热。供应到第一、第二和第三绕组5-112A、5-112B和5-112C的能量的第二部分被存储在第一、第二和第三绕组5-112A、5-112B和5-112C中的一个或多个。当能量不被供给到第一、第二和第三绕组5-112A、5-112B和5-112C中的一个或多个时，存储在第一、第二和第三绕组5-112A、5-112B和5-112C中的能量可以被放电。

箝位控制电路5-106包括差分放大器5-234、第一、第二、第三和第四电阻器5-236、5-237、5-238和5-239、箝位nMOSFET 5-540和箝位保护二极管5-542。箝位控制电路5-106被配置为减少电流从BLDC电机5-110的第一、第二和第三绕组5-112A、5-112B和5-112C中的一个或多个回流到去耦合电容器5-122，如下所述。在实施例中，箝位保护二极管5-542包括在箝位nMOSFET 5-540中固有的体二极管。

本领域技术人员根据本文的教导和公开将理解，BLDC电机系统500可以进一步包括其他电路，诸如反EMF监视电路和转子位置检测电路。为了简单起见，这样的电路被省略。在实施例中，电机控制电路5-102、第一、第二和第三驱动器电路5-104A、5-104B和l-104c以及箝位控制电路5-106中的全部或一部分被设置在集成电路中。

图6A、6B和6C图示了根据实施例的用于分别适用于用作根据实施例的图5中的BLDC电机系统500的第一、第二和第三驱动器电路5-104A，5-104B和5-104C以及箝位控制电路5-106的第一、第二和第三驱动器电路6-104A、6-104B和6-104C以及箝位控制电路6-106的其他细节和操作。图6A、6B和6C中的灰色箭头指示与电路5-104A、5-104B、5-104C和5-106相关联的电流流动，如下详述。

电源电压VDD被提供给阻断二极管6-120的阳极。阻断二极管6-120的阴极被连接到去耦合电容器6-122的第一端子。去耦合电容器6-122的第二端子被连接到地。

第一驱动器电路6-104A接收第一正栅极信号PGA和第一负栅极信号NGA。这些信号可以被包括在图5的第一控制信号CTRLA中。

第一正栅极信号PGA被连接到第一pMOSFET 6-220A的栅极。第一pMOSFET 6-220A的源极被连接到去耦合电容器6-122的第一端子。第一pMOSFET 6-220A的漏极连接到第一输出端子OUTA。第一上部保护二极管6-226A被连接第一pMOSFET 6-220A的漏极和源极之间。在实施例中，第一上部保护二极管6-226A是第一pMOSFET 6-220A固有的体二极管。

第一负栅极信号NGA被连接到第一nMOSFET 6-222A的栅极。第一nMOSFET 6-222A的源极通过电流感测电阻器6-108被连接到地。第一nMOSFET 6-222A的漏极被连接到第一输出端子OUTA。第一下部保护二极管6-228A被连接在第一nMOSFET 6-222A的漏极和源极之间。在实施例中，第一下部保护二极管6-228A是第一nMOSFET 6-222A固有的体二极管。

当第一正栅极信号PGA信号具有高电压值时，第一pMOSFET 6-220A关断，并且没有电流流过第一pMOSFET 6-220A。当第一正栅极信号PGA具有低电压值时，第一pMOSFET 6-220A接通，并且电流可以从电源电压VDD通过阻断二极管6-120和第一pMOSFET 6-220A流动到第一输出端子OUTA。

当第一负栅极信号NGA信号具有低电压值时，第一nMOSFET 6-222A关断，并且没有电流流过第一nMOSFET 6-222A。当第一负栅极信号NGA具有高电压值时，第一nMOSFET 6-222A被接通，并且电流可以从第一输出端子OUTA通过第一nMOSFET 6-222A和电流感测电阻器6-108流动到地。

第二驱动器电路6-104B接收第二正栅极信号PGB和第二负栅极信号NGB。该信号可以被包括在图5的第二控制信号CTRLB中。

第二正栅信号PGB被连接到第二pMOSFET 6-220B的栅极。第二pMOSFET 6-220B的源极被连接到去耦合电容器6-122的第一端子。第二pMOSFET 6-220B的漏极被连接到第二输出端子OUTB。第二上部保护二极管6-226B被连接在第二pMOSFET 6-220B的漏极和源极之间。在实施例中，第二上部保护二极管6-226B是第二pMOSFET 6-220B固有的体二极管。

第二负栅极信号NGB被连接到第二nMOSFET 6-222B的栅极。第二nMOSFET 6-222B的源极通过电流感测电阻器6-108被连接到地。第二nMOSFET 6-222B的漏极被连接到第二输出端子OUTB。第二下部保护二极管6-228B被连接在第二nMOSFET 6-222B的漏极和源极之间。在实施例中，第二下部保护二极管6-228B是第二nMOSFET 6-222B固有的体二极管。

第三驱动器电路6-104C接收第三正栅极信号PGC和第三负栅极信号NGC。这些信号可以被包括在图5的第三控制信号CTRLC中。

第三正栅信号PGC被连接到第三pMOSFET 6-220C的栅极。第三pMOSFET 6-220C的源极被连接到去耦合电容器6-122的第二端子。第三pMOSFET6-220C的漏极被连接到第三输出端子OUTC。第三上部保护二极管6-226C被连接在第三pMOSFET 6-220C的漏极和源极之间。在实施例中，第三上部保护二极管6-226C是第三pMOSFET 6-220C固有的体二极管。

第三负栅信号的NGC被连接到第三nMOSFET 6-222C的栅极。第三nMOSFET 6-222C的源极通过电流感测电阻器6-108被连接到地。第三nMOSFET 6-222C的漏极被连接到第三输出端子OUTC。第三下部保护二极管6-228C被连接在第三nMOSFET 6-222C的漏极和源极之间。在实施例中，第三下部保护二极管6-228C是第三nMOSFET 6-222C固有的体二极管。

第二和第三驱动器电路6-104B和6-104C以类似于以上针对第一驱动器电路6-104A描述的方式进行操作。

BLDC电机6-110包括第一、第二和第三绕组6-112A、6-112B和6-112C，分别具有连接到第一、第二和第三电机端子A，B和C的第一端。第一、第二和第三绕组6-112A、6-112B和6-112C的第二端以“Y形”配置彼此连接。在另一实施例中，第一、第二和第三绕组6-112A、6-112B和6-112C以“三角形”配置彼此连接，其中，第一、第二和第三绕组6-112A、6-112B和6-112C的第二端被分别连接到第二、第三和第一绕组6-112B、6-112C和6-112A的第一端。

箝位控制电路6-106包括差分放大器6-234、第一、第二、第三和第四电阻器6-236、6-237、6-238、6-239和6-239、箝位nMOSFET 6-540以及箝位保护二极管6-542。

差分放大器电路6-234包括正输入和负输入。差分放大器电路6-234的正输入使用包括第一和第二电阻器6-236和6-237的分压器接收从参考电压V_REF生成的缩放参考电压V_SR。第一电阻器6-236被连接在参考电压V_REF和差分放大器电路6-234的正输入之间。第二电阻器6-237被连接在差分放大器电路6-234的正输入和地之间。缩放的参考电压V_SR是根据以上等式1确定的，其中R₁是第一电阻器6-236的电阻值，并且R₂是第二电阻器6-237的电阻值。在实施例中，参考电压V_REF基本上等于箝位nMOSFET 6-540的阈值电压V_TH。

差分放大器电路6-234的负输入端通过第三电阻器6-238来接收电流感测信号SENSE。第四电阻器6-239被连接在差分放大器电路6-234的输出和负输入之间。因此，在差分放大器电路6-234的输出处生成的箝位信号CL的电压值是根据以上等式2来确定的，其中R₃是第三电阻器6-238的电阻值，并且R₄是第四电阻器6-239的电阻值。

箝位信号CL被提供到箝位nMOSFET 6-540的栅极。箝位nMOSFET 6-540的漏极被连接到去耦合电容器6-122的第一端子。箝位nMOSFET 6-540的源极被连接到电流感测电阻器6-108。箝位保护二极管6-542被连接到箝位nMOSFET 6-540的漏极和源极。在实施例中，箝位保护二极管6-542包括箝位nMOSFET 6-540固有的体二极管。

当箝位信号CL的电压值超过箝位nMOSFET 6-540的阈值电压V_TH时，电流从箝位nMOSFET 6-540的漏极流动到箝位nMOSFET 6-540的源极。当箝位信号CL的电压值低于箝位nMOSFET 6-540的阈值电压V_TH时，没有电流从箝位nMOSFET 6-540的漏极流动到箝位nMOSFET 6-540的源极。

图7是图示根据实施例的图6A、6B和6C的电路的操作的波形图。具体地，图6A的灰色箭头示出了在图7中所示的第一时间T1和第二时间T2之间的第一间隔期间流动的电流，图6B的灰色箭头示出了在图7中所示的第二时间T2和第三时间T3之间的第二间隔期间流动的电流，并且图6C的灰色箭头示出了在图7中所示的第三时间T3和第四时间T4之间的第三间隔期间流动的电流。

初始地，第一和第二正栅极信号PGA和PGB具有高的值，其分别关断第一和第二pMOSFET 6-220A和6-220B。第一和第二负栅信号NGA和NGB具有低的值，其分别关断第一和第二pMOSFET 6-222A和6-222B。结果，BLDC电机6-110的第一和第二端子A和B浮置，没有电流流过第一和第二驱动器电路6-104A和6-104B，电流感测信号SENSE具有零值，并且线圈电流I_COIL具有零值。

图7中未示出的第三正栅极信号PGC和第三负栅极信号NGC在图7中所示的时间段中分别被保持在高电平和低电平。结果，在图7所示的时间段中，第三pMOSFET 6-220C和第三nMOSFET 6-222C被关断，并且BLDC电机6-110的第三端子C浮置。

因为电流感测信号SENSE具有零值，所以箝位信号CL的电压值小于箝位nMOSFET 6-540的阈值电压V_TH，并且箝位nMOSFET 6-540被关断。

在第一时间T1，如图6A所示，第一正栅极信号PGA被驱动为低，这接通第一pMOSFET 6-220A。第二负栅极NGB被驱动为高，这接通第二nMOSFET 6-222B。结果，电流I_COIL从电源电压VDD流动通过阻断二极管6-120、第一pMOSFET 6-220A、BLDC电机6-110的第一和第二绕组6-112A和6-112B、第二nMOSFET 6-222B和电流感测电阻器6-108。

通过电流感测电阻器6-108的线圈电流I_COIL的流动使得电流感测信号SENSE的电压值V_SENSE具有正电压。结果，箝位信号CL的电压值小于箝位nMOSFET 6-540的阈值电压V_TH，并且箝位nMOSFET 6-540被关断。

在第二时间T2，如图6B所示，第一正栅极信号PGA被驱动为高，其关断第一pMOSFET 6-220A。第二负栅极NGB被驱动为低，其关断第二nMOSFET 6-222B。

然而，线圈电流I_COIL继续流动通过BLDC电机6-110的第一和第二绕组6-112A和6-112B。结果，BLDC电机6-110的第一端子A的电压值减小到负值，并且BLDC电机6-110的第二端子B处的电压值6-110增加到比电源VDD的电压值更正的值。

BLDC电机6-110的第一端子A处的电压值的减小使得第一下部保护二极管6-228A成为正向偏置。BLDC电机6-110的第二端B处的电压值的增加使得第二上部保护二极管6-226B成为正向偏置。

结果，线圈电流I_COIL从地面流动通过电流感测电阻器6-108、第一下部保护二极管6-228A、第一和第二绕组6-112A和6-112B、以及第二上保护二极管6-226B。相对于在第一时间T1和第二时间T2之间的时间段期间通过电流感测电阻器6-108的电流流动的方向，通过电流感测电阻器6-108的电流流动的方向在第二时间T2之后的时间段中被反转。结果，在第一时间T1和第二时间T2之间的时间段期间为正的电流感测信号SEMSE的电压值V_SENSE在第二时间T2之后的时间段期间为负。

线圈电流I_COIL的流动由阻断二极管6-120阻断。替代地，线圈电流I_COIL流动通过去耦合电容器6-122，使得跨去耦合电容器6-122的电压增加。

如果跨去耦合电容器的电压6-122增加充分高于第一、第二和第三正栅极信号PGA、PGB和PGC中的一个或多个的电压值的值，则第一、第二和第三pMOSFET 6-220A、6-220B和6-220C中的一个或多个可能在不适当的时间被导通。该第一、第二和第三pMOSFET 6-220A、6-220B和6-220C中的一个或多个的导通可能产生BLDC电机6-110的不期望的移动或制动以及增加的功耗。

在第三时间T3，如图6C所示，箝位控制电路6-106进行操作以通过转移线圈电流I_COIL中的一些或所有远离去耦合电容器6-122来防止跨去耦合电容器6-122的电压成为过高的值。

从地通过电流感测电阻器6-108流动的线圈电流I_COIL使得电流感测信号SENSE具有负的电压值。结果，箝位信号CL增加到大于箝位nMOSFET 6-540的阈值电压V_TH的电压值，并且箝位电流I_CLAMP流动通过箝位nMOSFET 6-540。

箝位控制电路6-106和箝位nMOSFET 6-540的操作由图4的控制回路框图图示，其中I_COIL是线圈电流I_COIL的幅度，I_CLAMP是通过箝位nMOSFET 6-540的箝位电流I_CLAMP的幅度，R_SNS是电流感测电阻器6-108的电阻值，R₃是第三电阻器6-238的电阻值，R₄是第四电阻器6-239的电阻值，V_TH是箝位nMOSFET 6-540的阈值电压，V_REF是参考电压V_REF的电压值，并且G是控制回路的增益。控制回路的增益G可以包括箝位nMOSFET 6-540的跨导。

如果第一电阻器6-236的电阻值R₁与第二电阻器6-237的电阻值R₂的比率被选择为等于第四电阻器6-239的电阻值R₄与第三电阻器6-238的电阻值R₃的比率，则箝位电流I_CLAMP的幅度由以上等式3给出，其中K＝1+R₄/R₃。

从等式3可以看出，当回路增益K·G·R_SNS大时，第一项将接近线圈电流I_COIL。第二项是由于参考电压V_REF和箝位nMOSFET6-540的阈值电压V_TH的失配产生的电压偏移，并且该电压偏移以因子K·R_SNS衰减。通过适当地选择第三电阻器6-238的电阻R₃值以及第四电阻器6-239的电阻值R₄，可以使得K(＝1+R₄/R₃)是大的，并且结果，箝位电流I_CLAMP可以近似等于线圈电流I_COIL。结果，非常少量的电流流动到去耦合电容器6-122，并且降低了跨去耦合电容器6-122的电压的增加。

在BLDC电机系统500中，在图7的第三时间T3和第四时间T4之间的时间段期间诸如第二端子B的具有最高电压的BLDC电机6-110的端子处的电压保持处于接近在能量从BLDC电机6-110放电时的电源VDD的电压值的电压值，从而保持BLDC电机6-110的绕组中的快速电流衰减速率。

图6A、6B、6C和图7图示了线圈电流I_COIL从BLDC电机6-110的第一端子A流动到BLDC电机6-110的第二端子B的情况。本领域技术人员根据本文的教导和公开将理解，当电流流动从第二端子B到第一端子A、从第一端子A到第三端子C、从第三端子C到第一端子A、从第二端子B到第三端子C或从第三端子C到第二端子B时，箝位电路6-106将以基本上相同的方式操作。

虽然三相BLDC电机系统500如上所述，但是实施例不限于此，并且本领域技术人员根据本文的教导和公开内将理解，三相BLDC电机系统500可以适于使用具有一个、两个或多于三个相的电机、或者具有使用换向驱动的线圈的任何电机。此外，本领域技术人员根据本文的教导和公开将理解，三相BLDC电机系统500可以适于利用上述具有负电压值而不是正电压值的电源电压VDD。

尽管上述实施例包括nMOSFET和pMOSFET，但是实施例不限于此。本领域技术人员将理解，能够放大和交换电气信号的各种三端子电子设备或电路中的任何一个能够代替上述nMOSFET和pMOSFET使用，包括结型场效应晶体管(JFET)、双极结型晶体管(BJT)及其组合。本领域技术人员还应当理解，所描述的实施例的nMOSEFT和pMOSFET的漏极和源极是nMOSFET和pMOSFET的导电端子，并且其他导电端子包括例如BJT的集电极和射极。本领域技术人员还将理解，nMOSEFT和pMOSFET的栅极是nMOSFET和pMOSFET的控制端子，并且其他控制端子包括BJT的基极。

图8是根据实施例的控制箝位电流的过程800的流程图。

在S802，确定通过电阻器的感测电流。在一个实施例中，电阻器是被配置为感测流入地或来自地的电流的电流感测电阻器。在一个实施例中，感测到的电流是根据跨电阻器的电压降来确定。

在S806，确定所感测的电流的极性。在实施例中，当感测电流流入地时，感测电流的极性为正，并且当感测电流从地流出时，感测电流的极性为负。

如果极性为负，则在S816处生成箝位电流。箝位电流的幅度被控制使得最小化流动通过电阻器的电流。在实施例中，当极性为负时，箝位电流的幅度由包括电阻器的反馈回路电路来控制。

图9是根据另一实施例的控制箝位电流的过程900的流程图。

在S902中，一个或多个二极管被监视，以确定一个或多个二极管中的任何一个是否被正向偏置，即，一个或多个二极管中的任何一个是否导通电流。在一个实施例中，一个或多个二极管中的每一个是与一个或多个驱动器电路的晶体管相关联的保护二极管或体二极管。一个或多个驱动器电路可以被配置为将能量提供给电机的一个或多个绕组。

在S906，当一个或多个二极管中的一个二极管被正向偏置时，过程900通过前进到S912来进入或继续处于箝位模式。当一个或多个二极管没有被正向偏置时，过程900退出或不进入箝位模式。

在S912，确定跨电流感测电阻器的压降。电流感测电阻器被配置为测量流向电机控制电路的地或从电机控制电路的地流动的电流。在实施例中，跨电流感测电阻器的压降在电流流动到地时是正电压，并且在电流从地流出时是负电压。

在S914，用于控制箝位电流的晶体管是从一个或多个晶体管中选择的。一个或多个晶体管可以包括一个或多个驱动器电路的晶体管。在实施例中，晶体管是根据一个或多个二极管中的那一个被正向偏置来选择的。晶体管可以是一个或多个驱动器电路的第一驱动器电路的晶体管，并且二极管可以是一个或多个驱动器电路的第二驱动器电路的保护二极管或体二极管。

在另一实施例中，晶体管是根据提供给一个或多个驱动器电路的控制信号的先前状态选择的。控制信号可以包括在驱动电路将能量提供给电机的一个或多个绕组时接通多个晶体管中的相应晶体管的控制信号。所选择的晶体管可以是由控制信号选择以在先前时间段期间导通电流的晶体管。

在S916，箝位信号的值是根据在参考电压和压降之间的差来确定的。在实施例中，参考电压对应于晶体管的阈值电压。

在S918，箝位信号被提供到晶体管，并且晶体管进行操作以控制箝位电流。包括晶体管和电流感测电阻器的反馈回路电路进行操作，以最小化跨电流感测电阻器的负压降的幅度。反馈回路可以具有高增益，并且可以进行操作以最小化从地通过电流感测电阻器的电流的流动。

本公开的各方面已经结合作为示例提出的其具体实施例进行了描述。对本文阐述的实施例的许多替代、修改和变化可以在不脱离以下阐述的权利要求的范围内的情况下进行。因此，本文阐述的实施例意在是说明性的而不是限制性的。